物性傳感器知識培訓

1、 物性傳感器 一、壓電式傳感器正壓電效應：某些電介質沿某一定方向受外力或拉力作用時，不僅幾何尺寸變化而產生變形，而且在某一定的兩個相對表面上將產生符號相反數(shù)值相等的電荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。1石英晶體的壓電效應演示 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。2一、壓電式傳感器逆壓電效應：如果對某些電介質表面給以一定的交變電場作用，這些物體將要發(fā)生機械變形，若電場取消，又恢復到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫逆壓電效應。3一、壓電式傳感器壓電材料（1）壓電單晶以石英晶體為代表（2）壓

2、電多晶壓電陶瓷，它是人造多晶，常用的有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等（3）壓電半導體材料ZnS、ZnO、CaS等（4）高分子壓電材料高分子壓電荷膜，是用于微壓測量和機器人觸覺的新型電材料。4 石英晶體天然形成的石英晶體外形5天然形成的石英晶體外形（續(xù)） 6壓電陶瓷外形 7無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 8可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板 9壓電式腳踏報警器 10一、壓電式傳感器11石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12一、壓電式傳感器13一、壓電式傳感器縱向壓電效應：沿電軸（x軸）加力時，在垂直于x軸的表面產生電荷的現(xiàn)象。橫向壓電效應：沿機械軸（y軸）加力時，仍在垂直于x軸的表面產生電荷。但與

3、縱向壓電效應產生的電荷極性相反。切向壓電效應：沿垂直于z軸又垂直于y軸的方向施加剪切時，則在垂直于y軸的表面上產生電荷。14一、壓電式傳感器縱向壓電效應產生的電荷： kx為縱向壓電系數(shù)（為2.110-12C/N）。橫向壓電效應產生的電荷： ky：橫向壓電系數(shù) a：晶體切片的長度 b：為晶體切片的厚度15一、壓電式傳感器 常用的石英晶體一般屬于石英，在攝氏幾百度的溫度范圍內壓電系數(shù)不隨溫度的高低而變化。當溫度升到575時，即轉變?yōu)槭?，壓電效應消失，稱這一溫度轉變點為居里點。16一、壓電式傳感器石英晶體和壓電陶瓷比較：（1）產生壓電效應的機理相同；（2）壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體高幾百倍；（3

4、）壓電陶瓷的制造成本低，僅為石英晶體的110%；（4）石英晶體比壓電陶瓷（一般為100300）的居里點溫度高。（5）石英晶體比壓電陶瓷的機械強度高，壓電陶瓷極易破碎。17一、壓電式傳感器2. 壓電式傳感器的等效電路18壓電傳感器只能應用于動態(tài)測量 由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。 19一、壓電式傳感器20一、壓電式傳感器3

5、、測量電路電荷放大器測量電路21四通道電荷放大器外形 .22一、壓電式傳感器開環(huán)增益K1時，有23一、壓電式傳感器4、應用 玻璃打碎報警裝置 將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。 粘貼位置24一、壓電式傳感器4、應用壓電式加速度傳感器25一、壓電式傳感器壓電式力傳感器 A、 B ：鋼板 ；C：導桿；D、E：石英片26二、半導體敏感元件1、電阻敏感元件（1）熱敏電阻 熱敏電阻是由各種氧化物按一定比例混合經高溫燒結而成。 半導體電阻隨溫度變化的典型特性有三種類型： 負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC） 正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻阻值（PTC）

6、 臨界溫度熱敏電阻（CTR）。 271、電阻敏感元件熱敏電阻的典型特性281、電阻敏感元件熱敏電阻的結構形式29熱敏電阻外形 MF12型 NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻30其他形式的熱敏電阻 玻璃封裝 NTC熱敏電阻MF58 型熱敏電阻311、電阻敏感元件使用熱敏電阻必須注意的兩個問題：穩(wěn)定性：隨著半導體工藝水平的提高，產品的穩(wěn)定性問題或得了顯著的改善。非線性：對熱敏電阻采用線性化網絡的限制流過熱敏電阻的電流，常用的方法是將熱敏電阻與補償電阻串并聯(lián)。321、電阻敏感元件熱敏電阻點溫計331、電阻敏感元件溫度控制341、電阻敏感元件熱敏電阻流量計35熱敏電阻體溫表 36熱敏電阻用于CPU的溫

7、度測量 37熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制 381、電阻敏感元件（2）光敏電阻光電效應：物體受光照射，其內部某些電子接受光的能量，離開表面而產生光電發(fā)射，這種現(xiàn)象叫做光電效應。光電效應分為三類： 外光電效應：在光線作用下，使電子從物體表面逸出的光電效應。 內光電效應：在光線作用下，使物體電阻率發(fā)生變化的光電效應。 光伏效應（阻擋層光電效應）：在光線作用下，能使物體產生一定方向電動勢的光電效應。391、電阻敏感元件40光敏電阻 當光敏電阻受到光照時， 阻值減小。41光敏電阻演示 當光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）421、電阻敏感元件光敏電阻的幾個主要

8、概念：暗電阻：光敏電阻在不受光照時的阻值。此時的電流叫暗電流。亮電阻：光敏電阻在受光照時的阻值，此時的電流叫亮電流。光電流：亮電流和暗電流之差。431、電阻敏感元件掌握：光電流隨外加電壓的增加而增加，沒有飽和現(xiàn)象；光敏電阻為線性電阻，服從歐姆定律；外加電壓為常數(shù)時，光電流的隨光照的增加而增加；不同材料的光敏電阻對某一些波長的光源有不同的靈敏度，選用時應注意光源的波長。 441、電阻敏感元件（3）氣敏電阻45氣敏電阻外形 酒精傳感器 其他可燃性氣體傳感器461、電阻敏感元件（3）氣敏電阻471、電阻敏感元件（3）氣敏電阻48家庭用煤氣報警器49家庭用液化氣報警器50一氧化碳傳感器51其他氣體傳感

9、器NH3傳感器甲烷傳感器522. 磁電轉換元件（1）霍爾元件 霍爾元件的工作原理是利用霍爾效應。 532. 磁電轉換元件原理54霍爾效應演示 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab552. 磁電轉換元件562. 磁電轉換元件霍爾電勢 ： VH=RHiBSin/h RH：霍爾系數(shù)，其值取決于材料性能。h：霍爾元件厚度 572. 磁電轉換元件上式分析：. VH正比于RH, 而 ，n為材料的自由電子濃度，e為電子電量；霍爾元件厚度h越小， VH越大；. 控制電流i增大，霍爾電勢增大，但控制電流的值受元件自身發(fā)熱的限期，一般在4

10、20左右。 若令KH=RH/h, 則 VH=KHiBSin KH霍爾常數(shù)，也就是霍爾元件的靈敏度。582. 磁電轉換元件霍爾壓力傳感器592. 磁電轉換元件霍爾位移傳感器602. 磁電轉換元件霍爾開關 612. 磁電轉換元件霍爾開關OC門 施密特 觸發(fā)電路 雙端輸入、 單端輸出運放霍爾 元件.Vcc62霍爾式接近開關 當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作?；魻柦咏_關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。63霍爾式接近開關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片 開關型霍爾IC T64霍爾電流傳感器演示鐵心 線性霍爾IC EH=KH IB I所實現(xiàn)的多媒體界面：I65霍爾

11、鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導線未放入鐵心時示值為零70.9A66鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開， 導線由此穿過霍爾鉗形 電流表演示霍爾鉗形 電流表演示70.9A672. 磁電轉換元件(2)磁敏二極管和磁敏三極管 磁敏二極管和磁敏三極管是霍爾元件之后發(fā)展起來的新型磁電轉換元件,具有很高的磁靈敏度,比霍爾元件要高數(shù)百倍至數(shù)千倍,因而日益得到重視。682. 磁電轉換元件692. 磁電轉換元件703、光電轉換元件（1）光電池71光電池外形光敏面72能提供較大電流的大面積光電池外形73其他光電池及在照度測量中的應用柔光罩下面為圓形光電池74光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能 硅光電池板75光電池在動力方面的應用（續(xù)）太陽能發(fā)電76光電池在動力方面的應用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應用773、光電轉換元件（2）光敏管78光敏二極管 將光敏二極管的PN 結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。 79光敏三極管外形 803、光電轉換元件813、光電轉換元件823、光電轉換元件光電數(shù)字